基于STM32的暖氣管道監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：論文介紹了一種基于STM32單片機的家庭暖氣管道監(jiān)控智能系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合WIFI知識，采用分布式傳感器，對暖氣管道進(jìn)行監(jiān)控。用戶可以利用手機終端實時監(jiān)控暖氣管道系統(tǒng)的狀況。

關(guān)鍵詞：STM32；WIFI；管道監(jiān)控

北方冬天集中供暖后暖氣管道破裂事件頻頻發(fā)生，管道發(fā)生破裂時第一時間無法發(fā)現(xiàn)，需要等到管道內(nèi)熱水大量滲出地面后才會被人發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)后還需要通過儀器確定管道破裂部位。而市面上的暖氣管道檢測儀器效率非常低，等到確定破裂部分時間已經(jīng)過去很久，這樣不光會加大維修難度，還會浪費資源，物力，人力等。本論文介紹一種暖氣管道實時監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)管道發(fā)生破裂之后，系統(tǒng)可以第一時間判定管道發(fā)生破裂，立即關(guān)閉管道，并排出管道中的水，同時通知業(yè)主。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)使用STM32作為主控連接TFT液晶屏，顯示當(dāng)前系統(tǒng)的各種指標(biāo)的參數(shù)。同時具備GPRS通訊功能，通過串口與主控通信，發(fā)給業(yè)主信息，使用WIFI模塊作為節(jié)點與主控建立通信。STM32使用電子流量計來測量暖氣管道中水流的情況，從而判斷暖氣管道是否破裂。系統(tǒng)還連接有電磁閥，可以控制暖氣管道的開關(guān)。

1.1 主控模塊

系統(tǒng)中采用的主控是STM32F103。主控的系統(tǒng)時鐘速度可以達(dá)到72M，可以達(dá)到本系統(tǒng)的要求。外接有80個GPIO端口，可以滿足外接模塊的端口要求。內(nèi)置有實時時鐘RTC時鐘模塊。有足夠多的中斷以及5個定時器，還有如兩個USB、五個USART、兩個CAN、三個IIC、兩個SPI等通信端口，足以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

1.2 ESP8266

ESP8266 是一款集成了32位處理器的Wi-Fi 芯片模塊。ESP8266高度集成了各種硬件模組，有很好的屏蔽作用，并且價格很便宜。還具有低功耗的功能。非常合適作為本系統(tǒng)的通信以及終端控制采集模塊使用。

ESP8266與STM32連接也非常簡單，ESP8266的UTXD與STM32的RXD相連，URXD與TXD相連。

1.3 流量計

管道上使用電子流量計，計算暖氣管道的流量。通過霍爾元器件采集轉(zhuǎn)子的速度，通過公式計算出流經(jīng)的水流量，將信號發(fā)給微控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷與處理。計算水流量的公式

F是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的計數(shù)，Q是水的體積，單位是升。誤差在±2%之內(nèi)，供電電壓在3.5-24V之間，電流不能超過10mA，流完一升水輸出300個脈沖。

1.4電磁閥

利用差分放大電路設(shè)置一個雙向門電路，實現(xiàn)電路可以輸出正負(fù)脈沖來控制電磁閥得開關(guān)。實現(xiàn)管道控制電氣化。電磁閥另有外漏堵絕，內(nèi)漏易控，系統(tǒng)簡略，便接微控制器控制，價格低廉，響應(yīng)快速，功率比較小，外狀輕盈等特色，也就很合適這套系統(tǒng)中對管道的實時控制。電磁閥選擇12V供電，驅(qū)動一個差分電路，可以實現(xiàn)正負(fù)脈沖的轉(zhuǎn)換。電磁閥的控制方式是給一個20ms的正脈沖就可以打開電磁閥，給一個20ms的負(fù)脈沖就可以關(guān)閉電磁閥。差分電路如圖所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)流程圖

本系統(tǒng)使用操作系統(tǒng)做軟件程序開發(fā)，所以系統(tǒng)可以分為以下模塊：圖形顯示任務(wù)、流量監(jiān)測任務(wù)、管道控制任務(wù)。任務(wù)之間的通信使用自己設(shè)定的信號量來傳輸各個任務(wù)的狀態(tài)。

2.2 ESP8266數(shù)據(jù)通信解析

ESP8266作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和終端控制的節(jié)點，還有為了配合系統(tǒng)的分布式控制，系統(tǒng)中使用了多個ESP8266模塊。按照實現(xiàn)的功能可以把模塊分為網(wǎng)關(guān)節(jié)點，數(shù)據(jù)采集終端，電磁閥控制終端和云端通信節(jié)點。各個ESP8266模塊之間的通信是使用的UDP協(xié)議局域網(wǎng)內(nèi)通信，ESP8266與云端通信方式使用TCP協(xié)議通信。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為主控、手機、各個終端的連接器。在網(wǎng)關(guān)ESP8266中進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，然后將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)中各個模塊上。所有的終端都與網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過WIFI建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過串口建立與主控的連接。

數(shù)據(jù)采集ESP8266終端是系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)采集來源，作為系統(tǒng)的最重要感知層。模塊上集成4路電子流量計采集模塊。在數(shù)據(jù)采集終端將所有的采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)往到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

電磁閥響應(yīng)終端是系統(tǒng)的主要響應(yīng)終端，有三組響應(yīng)電路，可以實現(xiàn)正負(fù)脈沖的輸出，來控制家庭中各個管道的通斷。終端接收的數(shù)據(jù)來自于網(wǎng)關(guān)。

云端通信模塊主要是實現(xiàn)與云端的數(shù)據(jù)連接，及時的把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，還有家庭中的其他數(shù)據(jù)控制信號傳送到云端，云端與手機APP建立通信。

3 結(jié)論

論文介紹了基于STM32的暖氣管道系統(tǒng)，運用WIFI技術(shù)能夠使用戶實時檢測家中管道情況。經(jīng)過實物論證，該系統(tǒng)能很好的解決當(dāng)前家庭暖氣管道側(cè)漏存在的問題。

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作者簡介：許春磊（1978.12--），男，漢族，山東莒南人，講師，碩士，主要從事計算機技術(shù)和電子信息技術(shù)研究